国产超临界机组锅炉VTI球阀泄漏原因分析与治理

徐 春

(浙江大唐乌沙山发电有限责任公司 设备部，浙江 宁波 315722)

1 设备的基本情况

某电厂机组锅炉采用哈尔滨锅炉有限责任公司与三井巴布科克(MB)公司合作设计制造的超临界本生(Benson)直流锅炉，型号为HG-1890/25.4-YM4,采用一次中间再热、滑压运行，配内置式再循环泵启动系统，固态排渣、单炉膛、平衡通风、Π型布置、全钢构架悬吊结构、露天布置。最大连续蒸发量为1 890 t/h，过热器蒸汽出口温度为571 ℃，再热器蒸汽出口温度为569 ℃，给水温度为283.7 ℃,主汽压力为25.4 MPa，再热蒸汽压力为4.64 MPa。

在两根主蒸汽管道上对称布置有6只弹簧安全阀和2只VTI动力驱动泄放阀(ERV)。其中，动力驱动泄放阀的整定压力比弹簧安全阀的整定压力低，这样可在过热蒸汽侧超压时首先动作，起到先期警报的作用。ERV阀的具体参数如表1所示。

表1 ERV阀的相关参数

2 VTI球阀的结构与工作原理

2.1 VTI球阀的结构特点

VTI球阀的结构较为简单，便于拆卸、维修，如图1所示。

由图1可知，VTI球阀的结构具有以下特点：

1)球阀采用双阀座结构，入口阀座采用活动式结构，对阀芯起到支撑作用；出口阀座位于出口排气管处，材质为司太立硬质合金，起到真正的密封作用[1-2]。

2)出口排气管与阀体的密封采用金属“八角垫”进行密封，如图1所示。同时，该垫片在阀门解体检修回装时，起到出口排气管轴线找正的作用，便于现场的安装。由于只采用一道金属垫密封，该部位在机组运行中容易产生泄漏。

3)球阀出口排气管与大气直接相连，使得VTI阀在动作过程中，排气管中的杂质直接落到密封面上造成球阀关闭不严，产生内漏。

4)由于VTI球阀一般布置在主蒸汽管道上，为满足高温高压的要求，材质选用A182-F91。因此，焊接后需要进行热处理。但是阀门焊接端直段极短，热处理困难。

①阀球；②密封圈；③蝶形弹簧；④阀杆；⑤填料压盖；⑥填料压盖弹簧垫片；⑦填料压盖螺母；⑧格兰螺栓；⑨出口排气管；⑩阀体；阀体垫片

图1VTI球阀的结构

2.2 VTI球阀的工作原理

VTI球阀由带电动或气动执行机构的主阀和控制部分(包括压力变送器/开关、就地控制箱)组成，如图2所示。

当系统压力达到泄放阀的开启设定压力时，控制系统内部电路接通，继电器闭合，使电磁阀开始供电，通过气动或电动执行机构将阀门打开；当系统压力降低到阀门的关闭设定压力时，再通过气动或电动执行机构使阀门关闭[3]。

图2 VTI球阀的控制结构

当锅炉系统开始超压，达到动力泄放阀设定开启压力时，动力泄放阀打开，向外排放蒸汽，降低系统压力，为锅炉提供了超压保护。动力泄放阀打开后，避免在锅炉超压时，压力继续升高而导致安全阀起跳，延长安全阀使用寿命。

3 VTI球阀泄漏的原因分析与治理

3.1 VTI球阀阀体法兰泄漏与治理

1)泄漏现象

由于阀体与出口排气管采用金属“八角垫”单一密封，出现金属八角垫安装不正确或八角垫冲刷损坏，导致法兰密封面蒸汽外漏的情况，如图3所示。

2)处理方案

①在出口端盖上增加一道密封，提高了法兰端面密封的严密性，采用金属密封垫+金属缠绕垫的密封形式，如图4所示，提高了法兰端面的静密封能力，增加密封力。

②更换阀体螺栓，采用更高等级材质的螺栓，增加了密封强度，提高了密封力，密封效果增强[4-5]。

图3 VTI球阀阀体法兰泄漏

3.2 VTI球阀阀体法兰密封改造的校核计算

VTI球阀阀体法兰面如图5所示，其中阀体端面加工密封面的尺寸为φ95×φ80,厚度为2.2 mm。

图4 VTI球阀阀体改造后的密封结构

图5 VTI球阀阀体端盖改造的密封情况

按照《GB/T 150.3-2011 压力容器》的相关内容，对改造的密封面进行强度校核计算。具体过程如下：

1)VTI阀的工作压力为25.4 MPa，工作温度为578 ℃。

3)垫片的有效密封b

①当b0≤6.4 mm时，取b=b0。

4)垫片压紧力作用中心圆直径DG

②当b0>6.4 mm时，取DG等于垫片接触的外径减去2b。

5)金属缠绕垫的特性参数

垫片系数m=3，垫片比压力y=69。

6)垫片压紧力

①预紧状态下需要的最小垫片压紧力按下式计算：

FG=Fa=3.14DGby=61 260.615 N

②操作状态下需要的最小垫片压紧力按下式计算：

FG=FP=2×3.14DGbmPc

式中，Pc为工作压力25.4 MPa。

FG=Fa=3.14DGbmPc=135 306.054 N

7)螺栓载荷

①预紧状态下需要的最小螺栓载荷按下式计算：

Wa=Fa=3.14DGby=61 260.615 N

②操作状态下需要的最小螺栓载荷按下式计算：

Wp=F+Fp=0.785DGPc+
6.28DGbmPc=286 224.345N

8)常温状态下inconel-718材质螺栓的许用应力[σ]b=345 MPa，设计温度下inconel-718材质螺栓的许用应力[σ]bt=218 MPa[7]。

9)螺栓面积

①预紧状态下需要的最小螺栓面积按下式计算：

Aa=Wa/[σ]b=61 260.615/345=177.567 mm2

②操作状态下需要的最小螺栓面积按下式计算：

Ap=Wp/[σ]bt=1 312.96 mm2

③需要的螺栓面积Am取Aa与Ap之间的较大值：

Am=1 312.96 mm2

④实际螺栓面积Ab应不小于需要的螺栓面积Am，其中螺栓外径为16 mm，则：

Ab=8πd2/4=1 607.68 mm2

综上所述，螺栓采用inconel-718材质，数量为8条，能满足ERV阀的工作要求(压力为25.4 MPa，工作温度为578 ℃)。

3.3 VTI球阀内漏原因分析与治理

1)泄漏现象

机组负荷为600 MW，主汽温度为570 ℃，主汽压力为27.2 MPa，达到左侧主蒸汽管道ERV阀动作值为27 MPa，此时VTI球阀动作，系统压力降低，VTI球阀关闭。阀门关闭1 h后，测量球阀出口排气管温度达到85 ℃，判断球阀出现内漏。

2)原因分析

现场检查VTI球阀动作前，阀门运行正常，排气管温度为30 ℃(环境温度为25 ℃)。动作后，阀门出口温度升高达到85 ℃，阀门出现内漏。判断球阀动作过程中排气管壁的杂物进入阀门密封面，导致阀门关不严，产生内漏。

由于VTI球阀疏水盘上部的排气管采用Q235材质，露天长时间运行导致排气管内壁有大量的铁锈，阀门动作后，随着管壁的震动铁锈脱落，铁锈卡在球阀密封面处，最终导致VTI球阀内漏。

3)治理方案

由于排气管采用Q235材质，露天长时间运行容易产生大量铁锈，因此可以更换316L不锈钢材质，防止排气管生锈。

4 改造后的运行效果

对于改造后的VTI球阀，当出现主蒸汽压力超压，达到阀门动作值，VTI球阀动作时，出口排气管法兰面密封严密未出现泄漏的情况，运行状态最佳，设备的可靠性提高。

同时，将VTI球阀出口排气管更换为316L不锈钢材质后，阀门动作以后未出现内漏的情况。

5 结 论

VTI球阀出口法兰端面采用金属八角垫单密封形式，若出现八角垫损坏，容易出现阀门外漏的情况，通过对端面密封面的改造，进行强度校核计算，有效地治理了VTI球阀外漏的缺陷。同时，对于VTI球阀的内漏治理，采用更换出口排气管的材质，减少了外界杂质对阀门密封面的损坏，提高了设备的利用率，保证了设备的安全运行。同时，也为同类型机组的设备改造提供了宝贵意见。

[1] 张卫军.锅炉HPV阀的故障分析及改造建议[J].电力技术，2009(6)：54-57.

[2] 申景泉，方春晖，郭忠安，等.300 MW机组锅炉电磁泄放阀增压式辅助阀的研制与应用[J].电站系统工程，2003,19(6)：28-29.

[3] 麻岩松.浅析锅炉动力驱动泄放阀(PCV阀)发展趋势[J].电站信息，2012(4)：59-61.

[4] 沈坤新.电动释放阀的泄漏原因及处理[J].阀门，2001(3)：35-37.

[5] 魏承利.分析阀门泄漏原因和改进措施[J].一重技术，2005(5)：57-58.

[6] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB/T 150.3-2011.压力容器[S].

[7] 姜求志，王金瑞.火力发电厂金属材料手册[M].北京：中国电力出版社，2001.